基于遙感的天津濱海新區(qū)土地利用/覆蓋變化分析

王豐， 劉書明，盧文虎，杜瓊瑋，姜偉男，李佳芮

（1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；2.國家海洋信息中心，天津 300171）

土地，是人類賴以生存和發(fā)展的最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著全球變化研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到，由于人類活動所導(dǎo)致的土地利用/土地覆蓋變化（Land Use and Cover Change） 最終會反過來影響到人類自身的生存和發(fā)展。

土地分類方式多種多樣，有利用方式分類、功能分類、資源分類、綜合分類等，本文使用的土地覆蓋/土地利用（LC/LU） 分類是隨著遙感技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新的土地分類方法。使用遙感分類方法對土地進(jìn)行分類具有速度快、精度高、范圍廣等特點，充分體現(xiàn)了監(jiān)測的及時性、客觀性和廣域性。利用遙感技術(shù)對土地進(jìn)行觀測，揭示其空間變化規(guī)律，建立區(qū)域土地利用變化驅(qū)動力模型進(jìn)行分析，成為當(dāng)今開展土地利用/覆蓋變化研究的主要動向。其研究內(nèi)容涉及到土地資源的保護(hù)與利用、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與治理、社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等一系列重大問題（宮文等，2011；劉俊，2010）。

天津濱海新區(qū)位于天津市東部濱海地帶，包括原塘沽、漢沽和大港3個行政區(qū)以及東麗區(qū)、津南區(qū)的部分區(qū)域，以建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市發(fā)展模式和建設(shè)生態(tài)城市為戰(zhàn)略目標(biāo)，被國家“十一五”規(guī)劃納入全國總體發(fā)展戰(zhàn)略布局（吳佳麗等，2011）。因此，當(dāng)前眾多政府機(jī)構(gòu)、研究部門、社會團(tuán)體以及研究學(xué)者都不斷加強(qiáng)對該區(qū)土地利用/覆蓋變化的關(guān)注程度。孟偉慶等（2010） 使用景觀生態(tài)學(xué)的方法對近30年濱海濕地的景觀指標(biāo)進(jìn)行定量分析，表明濱海濕地目前趨于破碎化及人工化。徐大勇等（2010） 基于歸一化植被指數(shù)（NDVI） 模型對該區(qū)的植被覆蓋變化進(jìn)行影像提取、分析及預(yù)測，得出該區(qū)域植被覆蓋呈明顯下降趨勢，威脅生態(tài)安全。以上研究選取年份相對久遠(yuǎn)，時間間隔相對較長，無法充分反映出濱海新區(qū)近幾年，尤其是被納入“十一五”規(guī)劃及推行“十大戰(zhàn)役”戰(zhàn)略后的土地變化；另外，上述對象較為單一，各種類型地物變化及相互轉(zhuǎn)化情況未能充分反映。

本研究在總結(jié)前人經(jīng)驗基礎(chǔ)上，基于Landsat衛(wèi)星TM遙感影像編制出2000年、2005年、2010年三期濱海新區(qū)土地利用/覆蓋分類圖，進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計，并運用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣對近10年來濱海新區(qū)土地利用/覆蓋變化進(jìn)行定量描述。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了經(jīng)濟(jì)、人口等人為驅(qū)動因子對該區(qū)土地利用/覆蓋變化的影響，更為全面具體地描述了近10年來各種土地類型面積變化及相互轉(zhuǎn)移情況，分析各種因素對其造成的影響，為濱海新區(qū)的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 土地利用的分類系統(tǒng)

土地利用/覆蓋的分類體系是對其進(jìn)行研究的首要前提，它既影響著研究結(jié)果的表達(dá)，也決定著研究數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代以來，隨著3S與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以研究土地利用/覆蓋為主的分類系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，它著重于土地類型的差異，用于調(diào)查研究。因此，應(yīng)綜合考慮調(diào)查比例尺的大小、精度、遙感資料可判辯性，區(qū)域特點、實用性和系統(tǒng)性（趙庚星等，2000）。

為適用于特定研究目的與尺度，各國學(xué)者從不同角度構(gòu)建了眾多的土地分類系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，兼容性差，給數(shù)據(jù)的匯總、分析與共享帶來了諸多不便。但迄今仍沒有一個為國家社會廣泛認(rèn)可和具有普適性的“萬能”土地分類系統(tǒng)（張景華等，2011）。鑒于此，本研究綜合比較分析以上分類系統(tǒng)，本著實用、簡潔的原則，在國土資源部2001年頒布的《全國土地分類（試行）》標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)濱海新區(qū)的土地利用和植被特點，制訂出適合天津濱海新區(qū)的土地利用/覆蓋兩級分類系統(tǒng)（表1），其中，I級包括建筑用地，沼澤，海洋，淡水域，灘涂，鹽田，植被，及未利用地8個大類。

表1 天津濱海新區(qū)LUCC 分類系統(tǒng)

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

研究中主要使用美國陸地資源衛(wèi)星Landsat傳感器TM/ETM數(shù)據(jù)，選取2000年、2005年和2010年3個年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。

采用天津濱海新區(qū)1∶50 000地形圖得到濱海新區(qū)邊界矢量圖，對影像進(jìn)行幾何精校正，將對比度較差的影像進(jìn)行直方圖均衡化、影像融合和去薄云等圖像增強(qiáng)處理，利用ENVI軟件對原始遙感影像進(jìn)行裁剪（圖1）。

在影像分類中，本研究采用監(jiān)督分類和基于紋理的面向?qū)ο竽：诸愊嘟Y(jié)合的方法進(jìn)行計算機(jī)自動分類。為保證各種地物信息提取的精確性，進(jìn)行了實地考察加以校驗，并且使用1∶50 000地形圖及相應(yīng)時期的Google Earth影像作為人工目視解譯的參考，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。最終得出2000年、2005年、2010年的最終分類圖像數(shù)據(jù)（圖2）。

圖1 濱海新區(qū)裁剪范圍

2 土地利用/覆蓋變化的統(tǒng)計分析

2.1 濱海新區(qū)土地利用/覆蓋的總體數(shù)量變化及特征分析

2.1.1 土地利用變化的幅度

土地利用/土地覆蓋的變化包括不同土地類型的面積、空間與質(zhì)量的變化。面積變化首先反映在不同土地類型的總量上，通過分析各土地利用類型總量的變化，可了解土地利用結(jié)構(gòu)的變化及變化的總態(tài)勢（朱會義等，2001）。

利用上述資料，對濱海新區(qū)三期的土地利用分類數(shù)據(jù)（圖2） 分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出表2及圖3的結(jié)果。

圖2 濱海新區(qū)2000年、2005年、2010年三期的土地利用分類數(shù)據(jù)（從左向右）

表2 濱海新區(qū)10年間各類型土地利用/土地覆蓋面積變化（單位：km2）

結(jié)果表明：10年間，濱海新區(qū)土地利用類型的數(shù)量變化以建筑用地、未利用地的大幅增加及植被、海洋的銳減為主。建筑用地、未利用地面積增長量分別為335.113km2和202.417km2，而植被與海洋面積的消減也高達(dá)-238.859km2和-139.542km2。隨著近年來多項政策的實施，開發(fā)進(jìn)程的加快，2005-2010年的面積變化幅度明顯大于2000-2005年。

圖3 10年間各類型土地利用/土地覆蓋面積變化統(tǒng)計圖

2.1.2 土地利用/覆蓋變化的動態(tài)度

土地利用類型的動態(tài)度是指某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，它定量地描述了土地資源數(shù)量的變化速度，對預(yù)測未來土地利用變化趨勢有積極的作用（王秀蘭等，1999）。

其表達(dá)式如下：

式中Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地類型的數(shù)量；T 為研究時段長，當(dāng)T 的時段設(shè)定為一年時，土地利用類型的動態(tài)度K 的值即為研究區(qū)該土地類型的年變化率。

由表2可知，近10年間，天津濱海新區(qū)的未利用地及建筑用地面積以較大的速率增加，年變化率分別高達(dá)54.05%和14.46%。植被、鹽田、淡水域、沼澤、海洋及灘涂等土地類型面積都有不同速率的減少，其中年變化率以灘涂的-6.05%和植被的-2.49%較為明顯。另外，盡管海洋年變化率較小，為-0.72%，但考慮到其較大的面積基數(shù)，更應(yīng)參考其變化幅度得出最終結(jié)果。

上述兩種方法及結(jié)果可較好地反映出濱海新區(qū)土地利用/覆蓋變化的數(shù)量及速度，卻忽略了土地利用變化的內(nèi)在過程。因此，需尋求其他研究方法做進(jìn)一步描述。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在一定條件下，土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況具有馬爾柯夫隨機(jī)過程的性質(zhì)，因此可采用馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣模型來進(jìn)一步描述。馬爾柯夫鏈來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述（徐嵐等，1993），是一種具有“無后效性”的特殊隨機(jī)運動過程，它反映的是一系列特定的時間間隔下，一個亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)由T1時刻向T2時刻狀態(tài)轉(zhuǎn)化的一系列過程，這種轉(zhuǎn)化要求T2時刻的狀態(tài)只與T1時刻的狀態(tài)有關(guān)（王思遠(yuǎn)等，2002）。

通常的情況下，馬爾柯夫模型在土地類型轉(zhuǎn)化上的應(yīng)用，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)移概率矩陣的確定。轉(zhuǎn)移矩陣可以顯示從某一年到另一年之間某一土地利用/覆蓋類型的動態(tài)變化，即有某類型有多少的比例仍然保持不變，有多少轉(zhuǎn)化為其他類型以及轉(zhuǎn)化到其他各類型的比例各為多少（陳四清等，2003）。

表3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型

表3 中，行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pij表示T1-T2期間土地類型i 轉(zhuǎn)換為土地類型j 的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1-T2期間i 種土地利用類型保持不變的面積百分比。Pi+表示T1時點地類i 的總面積百分比。P+j表示T2時點j 種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1-T2期間地類i 面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1-T2期間地類j 面積增加的百分比（劉瑞等，2010）。

從轉(zhuǎn)移矩陣得出：

兩段時間內(nèi)，有較大比例的灘涂及未利用地發(fā)生轉(zhuǎn)移，其余土地類型的轉(zhuǎn)移程度相對較小。

2000-2005年間：未利用地與灘涂的面積轉(zhuǎn)化比例高達(dá)83.8723%和41.2035%。其中未利用地的主要目標(biāo)地物為鹽田及建筑用地；而有較大比例的灘涂轉(zhuǎn)化為未利用地和鹽田。

2005-2010年更為明顯：灘涂總面積的35.9239%轉(zhuǎn)化為未利用地，總轉(zhuǎn)化率達(dá)60.6857%；而未利用地面積的69.6897%轉(zhuǎn)化為建筑用地，總轉(zhuǎn)化率高達(dá)76.7737%；另外有17.5097%的綠地轉(zhuǎn)化為建筑用地。

表4 土地類型利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（2000-2005年）

表5 土地類型利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（2005-2010年）

以上所得結(jié)果與濱海新區(qū)區(qū)域建設(shè)、社區(qū)拆遷、填海造陸等項目的實施以及“十大戰(zhàn)役”戰(zhàn)略中重點發(fā)展的項目工程建設(shè)目標(biāo)較為吻合。

3 討論

土地利用/覆蓋的動態(tài)變化是各種驅(qū)動力作用下土地利用目的與方式的改變。影響土地利用變化的驅(qū)動因子很多，總體上可將其分為自然因子與人文因子兩大類：自然因子是指對土地利用管理和利用方式具有一定影響的地球生物物理因子，主要包括氣候、水文、地形、土壤、植被及自然災(zāi)害等；人文因子包括社會經(jīng)濟(jì)和政治文化、技術(shù)進(jìn)步等方面，這些因子之間相互聯(lián)系、相互作用和影響（梁長秀，2009）。從一個較短時間來看，自然要素變化的頻率和速率同社會經(jīng)濟(jì)要素的復(fù)雜快速變化相比都顯得遲鈍和緩慢，濱海新區(qū)近10年間的土地利用/覆蓋變化主要由人類活動所造成，因而分析土地利用的人文驅(qū)動因子更為重要。

3.1 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)因素是決定土地開發(fā)利用的基本條件，包括經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與發(fā)展水平、工業(yè)和交通運輸條件、城鎮(zhèn)發(fā)展與市場條件、商業(yè)和貿(mào)易發(fā)展等。這些經(jīng)濟(jì)因素的變化特點，直接影響開發(fā)利用的方向、結(jié)構(gòu)、規(guī)模、布局及效益（吳傳鈞等，1994）。

近十年以來，濱海新區(qū)深化改革、擴(kuò)大開放，主動與國際經(jīng)濟(jì)接軌，完善投資條件，力爭創(chuàng)造一流的投資環(huán)境，經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)、高速發(fā)展。十年間，天津濱海新區(qū)的第一總產(chǎn)值平均年遞增5.72%，第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值平均年遞增79.52%，第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值平均年遞增76.79%，濱海新區(qū)生產(chǎn)總值由2000年的571.74億元增長到2010年的5030.11億元（宗國英等，2011） （表6）。

表6 濱海新區(qū)生產(chǎn)總值統(tǒng)計表（億元）

在濱海新區(qū)由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化引起土地資源在產(chǎn)業(yè)上的重新分配，從而導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)的變化。第一產(chǎn)業(yè)比重趨于下降，第二、三產(chǎn)業(yè)比重趨于上升。受經(jīng)濟(jì)利益機(jī)制的驅(qū)使，土地利用由低效益的農(nóng)業(yè)不斷轉(zhuǎn)向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用地，呈現(xiàn)失衡發(fā)展的態(tài)勢。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)總值的增長，人們開發(fā)利用土地的能力得以提升，為較深較廣的開發(fā)利用提供了基礎(chǔ)條件，進(jìn)一步促進(jìn)了各類荒地的開發(fā)和中低產(chǎn)農(nóng)林用地的改造。

3.2 人口因素

人口作為一個獨特的因素，是土地利用/覆蓋變化的人文因素中最主要的因子，也是最具活力的土地利用/土地覆蓋變化的驅(qū)動力之一。首先，人口數(shù)量的多少直接影響到土地利用/覆蓋的變化；其次，人類通過改變土地利用/覆蓋的類型與結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對土地這個自然綜合體的干預(yù)程度，來滿足人類對生存環(huán)境的需求。因此，在土地利用/覆蓋變化研究中，人口因素常被作為綜合參數(shù)來反映人類活動在土地利用/土地覆蓋變化中的貢獻(xiàn)（王秀蘭，2000）。

2010年濱海新區(qū)常住人口為248.21萬人，10年共增加129.31萬人，增長108.75%。年平均增長率為7.64%（天津市統(tǒng)計局，2011）。常住人口中，人口居住較為集中的地域有：塘沽850974人，占全區(qū)人口總量的34.28%，漢沽217107人，占全區(qū)人口總量的8.75%，大港523144人，占全區(qū)人口總量的21.08%。

如果把濱海新區(qū)土地利用比作一個開放性的系統(tǒng)整體，人口則是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的組織者、參與者，同時還是系統(tǒng)輸出品消費者。換言之，人通過生產(chǎn)技術(shù)、活動方式調(diào)節(jié)、組織土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使濱海新區(qū)土地開發(fā)速度加快，利用率增大；同時，作為參與者，也占有一定面積的土地用作生存生活的場所——建筑用地；最后，還作為消費者，消耗土地利用系統(tǒng)的產(chǎn)品，增加對土地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的壓力。因此，人口的增長導(dǎo)致了建筑用地的增加，并使其不斷減少的農(nóng)林綠地承載更大的生產(chǎn)壓力（秦明周，1998）。

3.3 政策實施及填海造陸工程

對于具有區(qū)域尺度特征的土地利用變化，政府政策引導(dǎo)會起到關(guān)鍵的作用（劉紀(jì)遠(yuǎn)，2002）。“十一五”規(guī)劃以來，天津濱海新區(qū)成為國家繼深圳特區(qū)、浦東新區(qū)后又一個潛在的經(jīng)濟(jì)增長極；政府部門又于2009年部署實施“十大戰(zhàn)役”發(fā)展戰(zhàn)略。然而，在土地利用開發(fā)利用政策制定的過程中，過分重視經(jīng)濟(jì)建設(shè)，而在一定程度上對環(huán)境建設(shè)有所忽略，造成目前濱海新區(qū)土地可持續(xù)利用水平不高，土地利用沒有真正實現(xiàn)由經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)的發(fā)展模式向可持續(xù)的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變（曹穎，2013）。最終導(dǎo)致有利于維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定的植被、濕地、灘涂等土地類型面積急劇下降，而用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的建筑用地面積大幅增加。若照此方向發(fā)展下去，必將制約今后濱海新區(qū)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展。

天津濱海新區(qū)的填海造陸工程，是目前中國國內(nèi)最大的填海造陸工程，規(guī)劃總面積達(dá)200余平方公里，包括東疆港區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)、南港工業(yè)區(qū)等填海項目。該工程在一定程度上緩解了工業(yè)及居住用地的緊缺，滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長對土地儲備的需求，并使得上述區(qū)域岸線曲折度和長度增加（趙英杰等，2011）。但是，該工程的實施，導(dǎo)致原有的灘涂、濕地等天然土地類型面積減少且破碎度加劇，使濱海的生態(tài)環(huán)境將面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

從遙感影像中提取土地利用/覆蓋類型的方法較多，研究先采用監(jiān)督分類和基于紋理的面向?qū)ο竽：诸愊嘟Y(jié)合的計算機(jī)自動分類方法，再進(jìn)行人工目視解譯獲取分類圖像，再經(jīng)統(tǒng)計計算和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析得到了濱海新區(qū)各類型土地利用/覆蓋變化的面積、速率和位置。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長、政策實施及填海造陸工程的開展都對濱海新區(qū)的土地利用/覆蓋變化造成了一定程度的影響。建筑用地大幅度增加，而綠地、濕地、灘涂等生態(tài)價值較高的土地類型急劇減少。

今后可通過對研究區(qū)土地利用/覆蓋變化與經(jīng)濟(jì)、人口等影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，做出更明確的解釋及預(yù)測。還可對土地可持續(xù)利用進(jìn)行評價，結(jié)合變化過程，建立適合研究區(qū)的土地可持續(xù)評價指標(biāo)體系和科學(xué)合理的評價體系。

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